合成氨装置的发展 毕业论文

摘 要

合成氨是重要的基础化工产品之一，其产量位居各种化工产品的首位，同时也是消耗能源的大户，合成氨的生产对国民生活至关重要，而在环境和资源问题日益严重的今天，更高效的合成氨生产以及符合资源节约型、环境友好型生产理念的要求，合成氨工业的改革显得至关重要。 合成氨的现状和未来发展趋势主要围绕合成氨设备、合成氨催化剂、合成氨工艺技术三方面进行阐述，在合成氨设备方面，我国中小型合成氨装置面临严峻的挑战，中型合成氨装置面临技术改造，而小型装置则面临淘汰。国内外合成氨设备的发展和新技术方面，通过对国内冷管型合成塔和国外绝热型合成塔的对比介绍，阐述了国内外合成氨设备的不同及国外的先进之处，绝热型合成塔具有简单、可靠的特点，而且能够消除“冷壁效应”。目前国内也积极开发这项技术，并且也有应用。 催化剂是合成氨生产的重要原料，最基本的合成氨催化剂是铁系催化剂，而国外开发的新型钌基催化剂具有更高的催化活性，但钌是稀有贵金属，全面推广钌基催化剂还有一段路要走。 钌基催化剂及非铁系催化剂是今后合成氨催化剂的主要研究方向，而通过介绍光催化合成氨、AB5型金属氢化物室温合成氨、电化学常压合成氨、酶催化室温合成氨四种新的技术进一步阐述了在更温和的条件下合成氨会是未来合成氨催化技术的趋势。世界合成氨根据技术发展的情况分析， 未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变， 其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期， 改善经济性”的基本目标， 进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。

1

第一章 合成氨装置的发展

我国的氮肥工业自20 世纪50 年代以来，不断发展壮大，目前合成氨产量已跃居世界第一位，目前研发的设备可以将焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨，形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。目前合成氨总生产能力约为4500万t/a，合成氨工业已基本满足了国内需求，但要想进一步提高生产能力，还要对设备进行进一步技改和研发。 2.1 大型及中小型氮肥装置现状和未来发展趋势 我国目前有大型合成氨装置共计34 套，生产能力约为1000 万t/ a ；其下游产品除生产硝酸磷肥之外，均为尿素。按照原料类型分：以天然气(油田气) 为原料的17 套，以轻油为原料的6 套，以重油为原料的9 套，以煤为原料的2 套。其中大部分是从国外引进，20 世纪七八十年代引进的天然气合成氨装置均已对其进行了以“节能降耗”和“扩能增产”为目的的两轮与国外装置类似的技术改造，合成氨能耗由41.87 GJ/t 降至33.49 GJ/t ，生产能力提高了15～22 %；轻油型合成氨装置也进行了类似的增产节能技改，将能耗降至37.2 GJ/t ，生产能力提高了15 %左右。20 世纪80 年代引进的渣油型合成氨装置也进行过增产10 %的改造，主要改造内容是气化装置增设第3 系列，空分工艺改为分子筛流程，目前已经具备了实现1100 万吨/年合成氨的条件。 20 世纪90 年代，在高油价和石油深加工技术进步的双重压力下，为了改善装置的经济性，多套装置开始进行以“原料结构和产品结构调整”为核心内容的技术改造，原料结构调整包括轻油型装置的“油改煤”(采用Shell 或Texaco 煤气化工艺，以煤替代轻油) 、渣油型装置的“油改气”(采用天然气部分氧化工艺，以天然气替代渣油) 或“渣油劣质化”(使用脱油沥青替代渣油) ；产品结构调整包括转产或联产氢气、甲醇等[1]。我国目前有中型合成氨装置55 套，生产能力约为500 万t/a ；其下游产品主要是尿素和硝酸铵；其中以煤、焦为原料的装置有34 套，以渣油为原料的装置有9 套，以气为原料的装置有12 套。目前有小型合成氨装置700 多套，生产能力约为3000万t/ a ；其下游产品原来主要是碳酸氢铵，现有112套经过改造生产尿素。原料以煤、焦为主，其中以煤、焦为原料的占96 %，以气为原料的仅占4 %。我国引进大型合成氨装置的总生产能力为1000 万t/a ，只占我国合成氨总能力的1/4 左右，因此可以说我国氮肥工业主要是依靠自力

2

更生建设起来的。在此过程中，研究开发了许多工艺技术，促进了氮肥生产的发展和技术水平的提高，包括:合成气制备、CO 变换、脱硫脱碳、气体精制和氨合成技术[2]。 中型合成氨装置设备效率低是主要矛盾， 技术改造主要是提高设备效率， 不要盲目扩大设备能力。我国的中型合成氮装置基本上都是我国自行设计、自己制造设备建设起来的， 国外没有这方面的实践和投人， 因此中型合成氨装置技术改造应以国内技术为主。 小型合成氨装置仍有生存的必要， 但不能全部生存， 必须淘汰一大批。我国如果全部淘汰小型合成氨装置， 全靠进口氮肥， 那么氮肥的价格也不会是现在的行情。若以新建大型合成氨装置代替小型合成氨装置，大概还需新建30万吨/年 大型合成氨装置近百套， 大约需要投资2500亿元人民币，不太现实。但小型合成氨装置要进行自然淘汰， 有条件的就生存，无条件的就淘汰。建设好大型合成氨装置，技改好中型合成氨装置， 自然淘汰小型合成氨装置是我国今后合成氨发展的主流趋势， 建立区域性大型合成氨企业集团， 控制全国合成氨装置的数量。中型合成氨装置必须进行改造。 在相同工况下，氨产量和氨净值的高低主要取决于合成塔。对此，国内外都进行了不少的研究和开发，开发出许多新塔型，在生产中也发挥了良好的经济效益[3]。

第一节 氨合成塔的工艺

1.1.1 材料选用

外筒温度小于200℃，故其选材只需考虑机械强度、焊接性能和冷热加工性即可。筒体：内筒直接与介质接触，要求防腐蚀好、耐高压、高温，可选用0Cr18Ni9外部层板不与介质接触且要求强度高、韧性好，可选用15MnVR。上端盖：需要具有耐氢腐蚀的性能材料，且应使平盖厚度尽量减小些，选用强度较好的20MnMoNb即可，上端法兰及下端的球形封头须锻造和冲压，要求强度好、耐腐蚀的材料，可选用18MnMoNbR。换热器的管板：换热器、壳体、挡板、隔热板等重要部件应采用Cr18Ni9，而麻花铁等辅助部件选用A3F（普通碳素结构钢）即可。触媒筐及、花板、壳体、中心管、冷气副线等均可采用Cr18Ni9。对于其他的一些辅助部件的材料选则见装配图的明细表。[4]

3